Термодинамика

Основные положения:

Для описания тепловых явлений используют два основных метода: молекулярно-кинетический и термодинамический.

Термодинамический метод исходит из основных опытных законов, получивших название начал термодинамики.

Термодинамика изучает только равновесные состояния, т.е. такие, при которых параметры р, V, Т термодинамической системы не меняются с течением времени. Термодинамическая система как совокупность множества атомов и молекул обладает внутренней энергией

Внутренней энергией тела называется энергия, зависящая только от термодинамического состояния тела или системы тел. Она состоит из следующих частей:

1) кинетическая энергия теплового движения частиц;

2) потенциальная энергия взаимодействия частиц;

3) энергия электронов, атомов и ионов;

3) внутриядерная энергия.

Началом отсчета внутренней энергии считается такое состояние системы, в котором U = 0, обычно это происходит при T = 0 – абсолютный ноль (-273°С).

В соответствии с определением можно записать:

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа: .

Внутренняя энергия любой массы идеального газа:

, где i – число степеней свободы.

Мерой энергии, получаемой или отдаваемой телом в процессе теплообмена, служит количество теплоты Q. Работа и теплота являются не видом энергии, а формой ее передачи.

Количество теплоты, необходимое, чтобы нагреть тело массой m от температуры T до температуры T+ΔТ равно Q = cm ΔТ.

В процессе теплообмена взаимодействующие тела передают друг другу некоторое количество теплоты от более горячих тел к холодным, если не учитывать потери тепла в окружающую среду, то теплота переданная должна быть равна принятой, т.е. имеет место уравнение теплового баланса: Q₁+Q₂+…+Q_n = 0

Кроме удельной теплоемкости существуют следующие удельные величины:

λ- удельная теплота плавления или кристаллизации;

r – удельная теплота парообразования или конденсации;

q – удельная теплота сгорания топлива.

Первое начало термодинамики: изменение внутренней энергии тела равно сумме сообщенного телу количества теплоты и произведенной над ним механической работы: .

Функция, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой термодинамической системе, называется энтропией S.

Энтропия характеризует степень упорядоченности термодинамической системы.

Второе начало термодинамики: в замкнутой системе не могут протекать процессы, которые приводят к уменьшению энтропии системы.

У веществ в различных агрегатных состояниях отличаются физические свойства.

Контрольные вопросы:

1. Какие методы исследования свойств макроскопических систем применяются в молекулярной физике? В чем различие этих методов?

2. Что называют термодинамической температурой? В чем физический смысл абсолютного нуля?

3. Что такое диффузия?

4. Что такое внутренняя энергия термодинамической системы?

5. Сформулировать первое начало термодинамики.

6. Дать определение энтропии.

7. Сформулировать второе начало термодинамики.

Выполнить задания:

1. Начертить примерные графики зависимости температуры вещества от времени для следующих процессов:

а) вода (при 20 °С) - лед (при 0°С);

б) лед (при -20 °С) – вода (при 100 °С);

в) серебро (при 20 °С) – серебро (при 1200 °С);

г) азот (при -200 °С) – азот (при -220 °С).

2. Решить задачи:

1. Смесь, состоящую из 1,51 кг льда и 5,53 кг воды, при общей температуре 0° С нужно нагреть до температуры 50°С, пропуская через нее пар при температуре 100° С. Определить необходимое для этого количество (в г) пара. Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/(кг·°С), удельная теплота парообразования воды 2,3 МДж/кг, удельная теплота плавления льда 330 кДж/кг.

2. В ванну влито 60 л воды при температуре 10°С. Сколько литров воды при 100° С нужно прибавить в ванну, чтобы температура смеси была 25° С?

3. На сколько градусов нагреется стальной шарик при падении с высоты 8 м, если вся механическая энергия идет на его нагревание?

4. В теплоизолированном герметичном сосуде находится 2 моль одноатомного идеального газа при температуре 300 К и нормальном атмосферном давлении. Найдите давление газа после включения на время 3 минуты небольшого электронагревателя мощностью 16,6 Вт, помещенного в сосуд.